冀北山区强风化岩坡面水土流失治理技术

陈志学，张 怀，谢永生，郝晓东，周 伟

(1.承德市水土保持科学研究所，河北 承德 067000；2.中国科学院/水利部 水土保持研究所，陕西 杨凌 712100)

1 强风化岩坡面的特点和治理现状

1.1 强风化岩坡面的分布与危害

冀北山区地处潮河、滦河上游，是京津地区的天然生态屏障，也是密云水库、潘家口水库的重要水源地，植被的恢复与重建十分重要。本区属半干旱山区，多年平均气温1.0～9.0 ℃，多年平均降水量350～650 mm。冀北山区的荒坡，土壤侵蚀强度多数为轻度，少数为中度，强烈以上侵蚀很少且多为强风化岩坡面，在本区的中北部分布较多。

强风化岩坡面虽然所占面积比例很小，但侵蚀强度大，水土流失严重。此类坡面冬春季冻融风化，夏季雨水冲刷，每年形成的风化层遇暴雨随径流向坡脚聚集，一部分进入沟道、河道，成为该类地区小流域输沙的主要源地之一。以平泉县东北沟为例，试点小流域总面积19.34 km2，现状水土流失面积869.71 hm2，占总面积的45.0%，现场勘查表明小流域共有风化岩面积314.78 hm2，占小流域总面积的16.3%，年侵蚀量约1.2万t，占小流域年总侵蚀量的63.2%，其中强风化岩面积37.40 hm2，仅占小流域总面积的1.9%，但年侵蚀量约5 600 t，占小流域年总侵蚀量的29.5%。因此，对本区强风化岩坡面的治理是减轻水土流失危害、减少小流域输沙的关键之一。

1.2 立地条件分析

强风化岩坡面是冀北山区干旱阳坡的重要组成部分，也是最不易治理、侵蚀最为严重的部分。其主要特点是立地条件恶劣，坡度陡，硬度大，风化层干旱贫瘠，夏季地表最高温度可达65 ℃。本课题通过对立地条件因子分析筛选，认为影响强风化岩坡面造林成活和生长的主导因子是土壤水分。为了找出此类坡面的特殊性，课题组分别选择秋季造林时间、汛期下过透雨后1天、严重干旱时(初秋，连续21天无雨)3种情况，测定土壤含水量。

通过数据分析得出如下结论：强风化岩坡面的土壤含水量一直处于较低水平，并且随季节变化小，造林季节在2%～4%，0—30 cm分层含水量变化不显著；雨季含水量也不高，即使前一天刚下过透雨，含水量也只有5%～6%，分层也不显著；在遇到严重干旱的情况下，各层含水量下降都极为显著，0—20 cm降至2%以下，这样低的含水量会造成浅根性植物不能正常生长，新栽植的苗木很难成活。因此，加大栽植深度达到20～30 cm，是提高造林成活率的关键之一，但由于强风化岩坡面过于坚硬，这个栽植深度并不容易实现。

1.3 治理现状调查

强风化岩坡面与一般风化岩坡面不同。在试点及周边区域，一般风化岩坡面的植被覆盖度在50%以上，属于轻度、中度侵蚀坡面，自然生长着少量的山杏、油松，在以往的小流域治理中栽植了部分刺槐，现状调查长势良好，是当地水土保持部门成功的治理典型。而强风化岩坡面的植被覆盖度在50%以下，侵蚀强度在强烈以上，坡面的地表风化物类似沙丘，里层物质却是坚硬的岩石，这样的土层结构既有沙丘干旱、松散、造林不易成活的特点，又不易整地，比治理沙丘还难。长期以来，除了对风化层较厚的坡脚进行部分造林外，多数处于自然状态，没有治理。

2 强风化岩坡面的分类和治理方案

2.1 强风化岩坡面的分类

调查发现，因长期的风化与侵蚀，强风化岩坡面演变得非常复杂，坡度、坡位、坡形、土壤侵蚀这些常规的分类因子，不管哪一个单独使用都无法描述这个坡与那个坡的区别。通过分析筛选，本课题组认为植被覆盖度这一因子既能体现立地条件又简单实用。按照现状的地表植被覆盖度，可将强风化岩坡面划分为3种类型，各类型及特点如下：

(1)裸坡：植被覆盖度小于10%，分布于坡度陡的侵蚀坡面，多在中上部坡位，少数在下部坡位。

(2)低覆盖坡：植被覆盖度10%～30%，分布于坡度陡的侵蚀坡面、淤积坡面，多在中上部坡位，少数在下部坡位。

(3)高覆盖坡：植被覆盖度30%～50%，分布于坡度缓的淤积坡面，基本都是在下部坡位。

2.2 不同类型坡面的治理方案

以“水土保持原理”“聚流生产理论”为指导，在不同类型的强风化岩坡面布置不同的高标准整地措施，改善小地形条件，提高造林成活率。

(1)裸坡：采用水平沟编篱技术，宽行密株栽植灌木树种，实现坡面绿化。

(2)低覆盖坡：采用隔坡生物篱技术，宽行密株栽植灌木树种、稀植乔木树种，在实现坡面绿化的同时，提高土地生产力。

(3)高覆盖坡：以恢复自然植被为主，采用小鱼鳞坑整地，稀植乔灌树种，提高土地生产力。

3 试验过程和结果

3.1 适生树种筛选

3.1.1 试验树种

长期以来，本区风化岩坡面的造林树种主要是刺槐，成活率和生长情况都较好。但刺槐为小乔木，枝叶覆盖效果较差，减轻侵蚀能力较弱。为了找到更为合适的树种，本课题组根据强风化岩坡面的立地条件，初步筛选出沙棘、柠条、刺槐、油松4个备选树种进行优选试验。

3.1.2 试验布置

沙棘、柠条为1年生播种苗，大小都用，没有进行分级处理，以体现实际施工情况。刺槐为1年生截干苗，油松为2年生容器苗。沙棘、柠条、刺槐为水平沟整地，油松为鱼鳞坑整地，共计布置试验样地14个。

3.1.3 数据分析与结论

通过栽植后两年(2011、2012年)的调查数据分析，可得出如下结论：

(1)从苗木情况看，沙棘与柠条高度相近(25～35 cm)，但沙棘的地径(3.4～5.6 mm)远大于柠条(2.3～3.1 mm)；从生长情况看，在各类坡面沙棘、柠条的成活率、保存率都较高(60%～95%)，株高和新枝长也相近，但沙棘的冠幅和地径(35～80 cm，5.6～9.2 mm)远大于柠条(10～50 cm，3.2～5.5 mm)，且分枝多。就目前而言，沙棘明显优于柠条，是强风化岩坡面的一个优选灌木树种。至于长期生长情况，还有待于继续观察。

(2)在各类坡面，刺槐、油松的成活率、保存率都较高(刺槐70%以上，油松85%以上)，生长也很旺盛，但刺槐分枝少，不适合强风化岩坡面对树种生长的要求，可用于一般风化岩坡面造林。油松成活率高，与选用的苗木为容器大苗有很大关系，又具有四季常绿、枝叶茂密的特点，可以确定为强风化岩坡面的一个优选乔木树种。

(3)各试验树种只要第一年成活，第二年几乎没有死亡现象，而第二年秋季的气象条件又恰是非常干旱(初秋，连续21天无雨)，表明4个试验树种都具有极强的抗干旱能力。

3.2 水平沟编篱技术

3.2.1 试验布置

在植被覆盖度小于10%的裸坡进行试验，面积1.32 hm2。一半试验水平沟整地(无编篱)技术，一半试验水平沟整地、外沿编篱技术。

(1)水平沟整地。开挖长度：因地形而异，一般8～20 m。开挖宽度：坡沟或坡下的松软坡面挖宽0.7 m、埂宽0.2 m；一般坡面挖宽0.5 m、埂宽0.15 m；坚硬坡面挖宽0.3 m、埂宽0.1 m。开挖深度：30 cm。坚硬坡面无法挖深的，可将上方坡面表层风化物铲下，堆积至30 cm。外沿土埂须培高10 cm左右。上下两沟间距：以小地形为准，避开裸岩或不利地形，避开灌丛、密草。一般间距为2～5 m(水平距)，其中缓坡2～3 m，陡坡3～4 m，特殊情况4～5 m。开挖次序：施工时从最上部开挖，依次向下。每条水平沟向内、向深挖，用挖出的沙土培埂，多余的沙土顺坡溜下；挖出的深沟用上部坡面搂下的表层沙土填平，整理成台面。

(2)编篱外沿施工。打桩：在水平沟外沿打木桩，木桩长60 cm，大头直径3～4 cm，两桩间距50～60 cm。木桩打入地下深25～30 cm，地面之上高30～35 cm。编篱：选用当地阴坡生长的天然柞树枝条，长2～3 m，编织于木桩之上，粗细搭配，压紧防止漏沙。编篱完成后，再次将上部坡面的表层沙土搂下填平，外沿稍高形成小反坡。

(3)水平沟内造林。在水平沟内栽植沙棘2行，密植，株距0.3 m，每穴栽植1株。

3.2.2 观测项目

(1)造林成活率、保存率及生长情况。两年的调查结果表明，水平沟编篱与无编篱，沙棘的成活率、保存率均为60%～70%，在株高、冠幅、新枝长、地径等生长方面没有显著区别。

(2)措施拦沙效果。经估算，水平沟整地(无编篱)的单位面积拦沙总量约为12 000 t/km2，水平沟编篱的单位面积拦沙总量约为36 000 t/km2，是无编篱的3倍。

3.2.3 试验结论

裸坡是强风化岩中最难治理的坡面类型，本次试验的水平沟编篱技术，造林成活率高、拦沙效果好，是治理裸坡的一项实用技术。缺点是外沿编篱耗材多、用工多，造成投资显著增加。调查结果表明，除了陡峭的裸坡外，大部分裸坡可以直接采用水平沟整地(无编篱)技术，省去编篱这一步，以节省投资。

3.3 隔坡生物篱技术

3.3.1 试验布置

试点对比沟小区属低覆盖坡，由1个治理小区和1个对照小区组成。在治理小区采用隔坡生物篱、鱼鳞坑整地技术进行试验，面积684 m2。

(1)隔坡生物篱。整个坡面呈隔坡带状，上下两带隔坡间距(水平距)为10 m，小区内共布置3个隔坡带，每带由3条水平沟内造林形成的生物篱构成，带宽为2 m。配置时先在坡脚布设一带，然后自下而上依次布设。在水平沟内栽植柠条1行，密植，株距0.3 m，每穴栽植1株。

(2)竹枇护埂鱼鳞坑。鱼鳞坑整地：为了减少破土面积，找到适合竹枇护埂的整地规格，本课题试验了不同尺寸的鱼鳞坑整地，从中优选出了小鱼鳞坑整地形式，规格为长60～70 cm、宽50～60 cm、深30 cm。开挖鱼鳞坑位置以现场小地形、土层厚度为准，稀植，避开裸岩或不利地形，株行距大致为2 m×3 m。竹枇护埂施工：竹枇尺寸为30 cm长、3～4 cm宽，每坑所用竹枇数量为25～35个。将竹枇一头削尖，打入地下10～15 cm，在鱼鳞坑外沿围成半圈。

(3)鱼鳞坑内外造林。在带间的隔坡面上营造柠条、油松混交林，鱼鳞坑内栽植油松1株；鱼鳞坑外混栽柠条，无整地，开挖小穴，随栽随挖，每穴栽植3株。

3.3.2 观测项目

(1)造林成活率、保存率及生长情况。两年的调查结果表明：柠条的成活率为90%，保存率为90%；油松的成活率为93%，保存率为93%。各树种生长良好。

(2)措施拦沙效果。经估算，隔坡生物篱的单位面积拦沙总量约为12 000 t/km2，竹枇护埂鱼鳞坑的单位面积拦沙总量约为4 000 t/km2，二者合计单位面积拦沙总量为16 000 t/km2。

3.3.3 试验结论

调查结果表明，隔坡生物篱技术是低覆盖坡治理的一项实用技术，在隔坡开挖的水平沟中栽植柠条构成生物篱，可以起到截短坡长的作用，减轻了径流侵蚀，拦截了部分泥沙；在隔坡面布置鱼鳞坑整地，栽植油松、柠条，可以提高土地生产力，快速提高地表植被覆盖度。

竹枇护埂一方面为鱼鳞坑整地提供了工程防护，一方面拦截了部分泥沙，为苗木的成活和生长提供了土壤基础，因此在一些重要地段的陡坡，竹枇护埂是一项不错的防护技术。其缺点是投资大、施工慢，如果不是必须的情况，还是建议采用普通鱼鳞坑整地。

3.4 小鱼鳞坑整地技术

3.4.1 试验布置

在植被覆盖度30%～50%的高覆盖坡，进行小鱼鳞坑整地、稀植乔灌树种试验。小鱼鳞坑整地规格为0.8 m×0.6 m×0.4 m(埂高10 cm，活土层深30 cm)；沙棘每穴栽植3株，油松每穴栽植1株。各栽植点以小地形为准，避开裸岩或不利地形，避开灌丛、密草，只找坡面裸露处栽植，不规定株行距，总体为稀植(大致为3 m×3 m 或3 m×4 m)。

3.4.2 观测项目

(1)造林成活率、保存率及生长情况。两年的调查结果表明：沙棘的成活率为95%，保存率为95%；油松的成活率为97%，保存率为97%。各树种生长良好。

(2)措施拦沙效果。高覆盖坡以淤积为主，大量中上部坡面的风化物在此处淤积，造林整地只是为了有利于苗木成活，没有拦沙的要求和意义，故此不再估算拦沙效果。

3.4.3 试验结论

调查结果表明，在高覆盖坡以恢复自然植被为主，进行小鱼鳞坑整地，稀植沙棘、油松，造林成活率高，植被生长良好，对原地貌自然生态的破坏也降到了最低程度。

4 总体结论

(1)冀北山区是京津地区的重要水源地，植被的恢复与重建十分重要。强风化岩坡面在本区的中北部分布较多，虽然所占面积比例很小，但侵蚀强度大，是本区最不易治理、侵蚀最为严重的部分。

(2)强风化岩坡面立地条件恶劣，持水能力非常低，是此类坡面难以自然恢复、造林成活率低的主要原因。解决的办法是增加整地深度(30～40 cm)，以保证足够的栽植深度(20～30 cm)。

(3)树种选择不当，是影响强风化岩坡面造林成活率的另一个主要原因。试验结果表明，沙棘1年生播种苗苗木健壮，油松容器大苗抗逆性强，是治理此类坡面的优选树种。

(4)强风化岩坡面演变得非常复杂，需要进行实用性强的分类。通过调研，本课题组以植被覆盖度为分类因子，将强风化岩坡面划分为裸坡、低覆盖坡、高覆盖坡3种类型。

(5)对上述3种类型的坡面分别采用水平沟编篱技术、隔坡生物篱技术、小鱼鳞坑整地技术进行综合治理，经过3年的试验示范，治理成效显著。

5 存在的问题及进一步研究设想

栽植深度达不到技术要求是强风化岩坡面造林的最大问题。水平沟整地、外沿编篱其实都是为了在栽植深度方面起作用。但尽管如此费力施工，实际栽植深度还是达不到20 cm的技术要求，栽植时人为造成苗木根系弯曲的现象十分严重。分析原因主要有两个：一是整地土方量太大，坡度陡导致水平沟宽度、深度增加，开挖的土方量成倍增加；二是施工困难，高强度开挖对原地貌扰动剧烈，一镐下去，往往造成开挖点上部风化岩呈块状脱落,下部风化岩也松动下滑。因此，如何使整地深度达标，又对原地貌影响小，是下一步要解决的技术问题。